關(guān)于聚合物電解膜燃料電池堆的開(kāi)發(fā)分析與樣品實(shí)驗(yàn)

燃料電池為商用車(chē)的低碳運(yùn)行作出了重要的貢獻(xiàn)。AVL公司旗下的研究人員目前已開(kāi)發(fā)出了1種聚合物電解膜燃料電池堆和1款專(zhuān)用的模擬軟件，以便在設(shè)計(jì)要求、軟件可能性及試驗(yàn)數(shù)據(jù)之間進(jìn)行深入的研究和優(yōu)化。

0 前言

出于降低CO2排放的目標(biāo)，重型商用車(chē)實(shí)現(xiàn)低碳運(yùn)行是研究人員目前面臨的1項(xiàng)艱巨挑戰(zhàn)工作。因?yàn)樯逃密?chē)必須在持續(xù)的高功率狀態(tài)下行駛，如果使其僅通過(guò)蓄電池驅(qū)動(dòng)，會(huì)導(dǎo)致一系列問(wèn)題。燃料電池同樣能對(duì)商用車(chē)的低碳運(yùn)行作出重要貢獻(xiàn)，并且不會(huì)像蓄電池商用車(chē)一樣產(chǎn)生諸多弊端?；谠撛颍珹VL公司旗下的研究人員開(kāi)發(fā)了1種聚合物電解膜燃料電池堆（圖1）。研究人員通過(guò)高品質(zhì)的模擬過(guò)程以改善其技術(shù)參數(shù)，并對(duì)燃料電池的性能和品質(zhì)作出最佳預(yù)測(cè)。

1 功率評(píng)估

在研究人員對(duì)電池堆結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，實(shí)現(xiàn)具有快速時(shí)間趨同性的可靠功率模擬過(guò)程有著較高重要性，以此能無(wú)滯后地對(duì)場(chǎng)景進(jìn)行分析。因?yàn)檠芯咳藛T選擇催化劑涂層膜（CCM）材料的過(guò)程與氣體擴(kuò)散層（GDL）材料相似，均存在著多種方案。研究人員為此已對(duì)多種場(chǎng)景進(jìn)行了研究，以便查明雙極板流場(chǎng)的最佳流道寬度。為實(shí)現(xiàn)更長(zhǎng)的使用壽命及更精細(xì)的幾何形狀和尺寸，研究人員應(yīng)選用合適的碳板。在作出選擇后，研究人員從制造過(guò)程和系統(tǒng)誤差等方面提出了相關(guān)要求。同時(shí)，這些要求又是得出最終流場(chǎng)幾何學(xué)的基礎(chǔ)。隨后，研究人員需要經(jīng)歷多次優(yōu)化CCM、GDL及流場(chǎng)的過(guò)程，方可得出最終的結(jié)構(gòu)組成。

2 滿足要求的極板設(shè)計(jì)分析

在選定用于膜電極單元（MEA）和雙電極板的材料后，研究人員應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注流動(dòng)分布狀況。功率模擬可用于確定電池片內(nèi)部和電池片之間流動(dòng)分布均勻性的目標(biāo)值，研究人員為此需要進(jìn)行精準(zhǔn)的三維計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（3D-CFD）模擬，以便優(yōu)化設(shè)計(jì)，并使系統(tǒng)維持均勻流動(dòng)的分布狀態(tài)。

研究人員借助于雙電極板的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）模型確定了模擬方案。為了達(dá)到較高的精度，應(yīng)開(kāi)發(fā)相應(yīng)的模擬方法，但由此會(huì)帶來(lái)較高的成本。

為了減小計(jì)算強(qiáng)度并減少計(jì)算成本，研究人員已在幾何學(xué)上進(jìn)行了適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化，從而在對(duì)模擬計(jì)算精度影響最小的情況下，充分縮短了計(jì)算時(shí)間。AVL公司旗下的研究人員對(duì)電池片及其內(nèi)部的流動(dòng)過(guò)程進(jìn)行了模擬，從而滿足系統(tǒng)對(duì)均勻流動(dòng)分布的要求。

影響極板流動(dòng)分布的1個(gè)臨界部件位于流場(chǎng)開(kāi)始出現(xiàn)阻抗的位置，該位置對(duì)于電池片實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定功率輸出有著重要影響。如不對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化，還會(huì)影響到電池片和電池堆的其他關(guān)鍵性能，包括電池功率密度、偏離設(shè)計(jì)運(yùn)行條件的誤差，以及電池片對(duì)冷起動(dòng)的適應(yīng)性等重要因素。研究人員借助于3D-CFD模擬軟件，可在構(gòu)件誤差允許的情況下，預(yù)測(cè)到即將出現(xiàn)的偏差，從而避免流體出現(xiàn)不均勻分布現(xiàn)象并實(shí)現(xiàn)所需的目標(biāo)值。圖2示出了這種結(jié)果的實(shí)例。流體從流量較少的進(jìn)口通道流入1個(gè)廣闊的分布區(qū)域，再?gòu)拇颂幜魅肓髁枯^高的有效流道中。整個(gè)流動(dòng)區(qū)域被施加了一定壓力，并承受著由3種不同工作介質(zhì)所產(chǎn)生的周期性壓力波動(dòng)。為此，減小其強(qiáng)度和剛度就顯得較為重要。

3樣品制造和首次試驗(yàn)

燃料電池堆通常由許多單個(gè)電池片組成。研究人員為了對(duì)燃料電池的設(shè)計(jì)性能進(jìn)行驗(yàn)證，盡管無(wú)需對(duì)整個(gè)電池堆開(kāi)展試驗(yàn)，但必須了解到硬件配置和試驗(yàn)裝置的潛在作用。由于每個(gè)電池片在電池堆中的位置彼此相異，由此會(huì)產(chǎn)生不同的邊界條件。該現(xiàn)象會(huì)反過(guò)來(lái)影響到試驗(yàn)結(jié)果。出于該原因，研究人員選擇了由10個(gè)電池片組成的最小電池堆，并以此開(kāi)展試驗(yàn)。由于燃料電池堆通常配備有碳板極，樣品會(huì)使用經(jīng)銑削加工的雙極板。該舉措有助于快速地實(shí)現(xiàn)全新的設(shè)計(jì)方案，并大幅降低制造要求，因此首件樣品的成本要明顯低于沖壓金屬板，同時(shí)也提高了構(gòu)件的允差。

因?yàn)榕c沖壓成形這一方案相比，為數(shù)較少的幾個(gè)相同零件通常采用銑削加工成形。但如果在首個(gè)電池堆的樣品上采用該類(lèi)方式，可能會(huì)使某些敏感性較高的試驗(yàn)產(chǎn)生錯(cuò)誤的試驗(yàn)結(jié)果。

圖示出了配備有10個(gè)電池片的燃料電池堆功率試驗(yàn)結(jié)果與實(shí)際燃料電池功率模擬結(jié)果的比較。在模型與真實(shí)試驗(yàn)數(shù)據(jù)之間，總體偏差會(huì)在適當(dāng)范圍內(nèi)進(jìn)行變動(dòng)，并會(huì)在極化曲線極限范圍內(nèi)出現(xiàn)某個(gè)峰值。

試驗(yàn)前，樣品極板通過(guò)具有較高分辨率的激光掃描以控制其加工精度，研究人員從而能推斷出構(gòu)件加工尺寸的誤差是否會(huì)受到影響。測(cè)量結(jié)果清楚地表明，研究人員在模擬過(guò)程中仍需要考慮其他相關(guān)因素。在近期研究的基礎(chǔ)上，研究人員已開(kāi)發(fā)出了最新的CFD算法，以便進(jìn)一步改善基于壓力損失的預(yù)測(cè)精度。圖6表明精度的提高應(yīng)歸因于得以擴(kuò)展的CFD算法。

4結(jié)語(yǔ)和展望

燃料電池將為商用車(chē)的低碳運(yùn)行作出重要貢獻(xiàn)，不過(guò)目前研究人員目前仍缺乏相應(yīng)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。正如內(nèi)燃機(jī)的發(fā)展歷程一樣，燃料電池技術(shù)的開(kāi)發(fā)難點(diǎn)在于對(duì)功率和使用壽命的精確模擬。燃料電池堆與模擬軟件的開(kāi)發(fā)過(guò)程處于平行且交互的狀態(tài)，從而使得設(shè)計(jì)要求、軟件可能性與試驗(yàn)數(shù)據(jù)之間能進(jìn)行協(xié)同調(diào)整。

精確的模擬過(guò)程是影響成功的關(guān)鍵因素，因此AVL公司旗下的研究人員選擇了這種涵蓋了軟件開(kāi)發(fā)、模擬、設(shè)計(jì)、樣品制造和試驗(yàn)等多方面的研究方式。因?yàn)樵擃?lèi)燃料電池技術(shù)相對(duì)成熟，所介紹的研究方式也具有最高的成功可能性，并能將風(fēng)險(xiǎn)降至最低程度，同時(shí)具有最高的商業(yè)化潛力。

在該項(xiàng)目的下一階段，研究人員將開(kāi)展多次加速應(yīng)力試驗(yàn)，以說(shuō)明其現(xiàn)有設(shè)計(jì)方案的穩(wěn)定性。同時(shí)，該類(lèi)試驗(yàn)還要與相關(guān)模擬過(guò)程相結(jié)合，以便預(yù)測(cè)負(fù)荷在空間和時(shí)間上的波動(dòng)及其對(duì)電池堆使用壽命的影響。

此類(lèi)結(jié)果將在后續(xù)的研究過(guò)程中得以展示，以便彰顯其在行駛循環(huán)模擬環(huán)境中的性能優(yōu)勢(shì)，同時(shí)也需要展示出電池堆和系統(tǒng)零部件的瞬態(tài)特性，以便能推導(dǎo)出使用壽命的長(zhǎng)短，以及用于各種場(chǎng)合和設(shè)計(jì)優(yōu)化過(guò)程的參數(shù)指標(biāo)。
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